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微机控制自起动柜信号测控部件的设计及改进
赵纯禹
中国石油锦西石化分公司 辽宁锦西
125001
摘要：本文主要介绍了以工业控制计算机为核心的电动机群自起动柜信号设计部件的设计，以及电机信号状态检测方法的改进措施。
关键词：电动机
自起动
干扰
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前言
电网经常发生闪络失压，闪络失压时间一般只有几百毫秒，但将导致该电网受电的低压电动机群因交流接触器失压释放而跳闸。在电网电压恢复后，这些电动机群不可能自动恢复运行，必须由工艺操作人员和电工人员配合进行人工再起动，再起动时间过长，使产品质量受到严重影响，甚至造成连续生产中断，其损失很大。据调查，一套大型炼油装置闪络失压一次，由人工再起动造成的损失可高达数百万元。微机控制低压电动机群自起动柜控制系统从电网发生闪络失压到低压电动机群恢复运行一般只需几秒种，具有捕获灵敏度高、起动速度快、起动电流小、安全、可靠、智能化程度高等优点，在连续性生产中得到了广泛的应用。
以工业控制计算机为核心的电动机群自起动柜，其信号测控部件的设计不合理，会造成计算机显示界面电动机红绿灯频闪，或电动机检测状态不准等错误，给现场操作人员造成误解，影响其安全运行，因此做好信号测控部件的设计，有其重要的意义。
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电动机群自起动柜信号测控部件主要的功能
（1）快速检测电网Ⅰ、Ⅱ两段母线的三相电压、A、C两相电流和母联两相电流，共12项电量参数，进行A/D转换，变成IPC的数字输入信号。设计内容包括电量传感器、A/D转换器两部分。
（2）快速检测出所有被控电动机的停运、投用的运行状态，并通过光电隔离后，变成数字型输入信号。
（3）将计算机经检测、运算、判别后发出的弱电（DC5～24V/50mA）控制信号，经光电隔离后转换成AC220V/10A的强电信号，通过控制继电器实现对电动机的自起动控制。
3 A/D转换器设计
为了把随时间连续变化的电网电压、电流值转换为工业控制计算机IPC可识别的数字信号，必须进行A/D（模拟量/数字量）转换。A/D转换包含采样、量化和编码三个内容。
“采样”是指：在连续变化的模拟量上按一定的规律，周期性地取出某些瞬时值（样点）来代表这个连续的模拟量。即采样器在控制脉冲s(t)的作用下，周期性地把随时间连续变化的模拟信号f(t)转变为时间上离散的模拟信号fs(t)。根据采样定理，为了保证fs(t)能准确代表或恢复成f(t)，必须保证s(t)的频率f0大于等于输入信号f(t)最高频率fm的2倍，即f0≥2fm。在工程应用中，一般取10倍以上为宜，被测电网电压、电流值的频率标称值为50Hz，如果考虑到干扰信号的高次谐波，实际采样频率为100
KHz。
“量化”是A/D转换的核心。所谓量化，是指以一定的量化单位q，把数值上连续的模拟量转变为数值上离散的阶跃量。在实际量化过程中，对于模拟量中小于一个q的部分，通常采用“四舍五入”的方法进行整量化，因而不可避免产生量化误差δ。量化误差δ有正有负，最大为±q/2，显然，量化单位q越小，产生的量化误差δ也就越小。
“编码”是把量化所得的数值转换成IPC所能接受的二进制数码。
据此，在电动机群自起动柜的设计中使用了12位16路光隔A/D转换模板。该模板的转换芯片采用高性能的AD1764，具有100KHz（10μs）转换速率，自带采样保持、参考电源等功能。外部模拟量信号经过A/D转换后的数字量与计算机接口之间采用光电隔离芯片。光隔器件的采用，虽然对采样速率会有所影响，但可确保本模板A/D转换的高可靠性和对计算机的安全性。这种模板自身带有DC-DC隔离电源模块作为参考电源，不用从外部引入。
3.1工作原理
该模板的模拟量输入信号由25芯D型插头引入，可输入单端16路模拟量信号，信号输入范围广，通过跳线就可选择不同的输入信号范围。该板占用4个I/O端口地址，可用查询、中断或外同步触发方式来启动A/D转换器工作。其A/D转换器工作原理框图如图1所示。
从工作原理框图（图1）可知，该模板由A/D转换、光电隔离、地址译码及总线控制几部分组成。
（1）A/D转换
外部16路模拟信号输入后先由通道多选开关LF508进行通道选择，再经放大器送入A/D转换器进行转换，其转换过程的工作状态和转换结果可用程序查询和读出，A/D芯片转换时间10μs，但受光电隔离器件的影响，每路转换时间大约为30μs。
（2）光隔及DC电源
A/D转换后的数字量与IPC总线缓冲器之间装有光电隔离芯片TLP-51，5000V电压下可耐压1分钟，提高了A/D模板的可靠性，对IPC测控系统起到保护作用，板上的DC-DC隔离电源转换，可从内部直接输出±15V供模拟电路及光电隔离芯片使用。
（3）控制字及数据格式
向基本地址写入控制字，即可选择通道和工作方式。控制字格式为：
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D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
|
中断控制 |
- |
- |
- |
通道字 |
其中D0～D3的值为通道号，例如“0001”表示通道1；
D7为中断控制，D7=0，不允许中断，D7=1，允许中断。
当D0=1时，转换结束，可以读取转换结果。
A/D转换结果的存放格式：
A/D转换结果存放在相邻的两个字节中，其中低字节仅高4
位有效（相当于转换结果的低4位数据），高字节8位全部有效（相当于转换结果的高8位数据）,即：
|
低字节 |
取高4位 |
为结果的低4位 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
高字节 |
取8位 |
为结果的高8位 |
D11 |
D10 |
D9 |
D8 |
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
（4）输出编码
本模板A/D转换后输出的数据按以下原则编码：
单极性输入为二进制原码，双极性时为偏移码或补码，输出码与模拟量输入电压的关系如表1所示。
据此,可得出相应输入模式下被测模拟电压值与转换数码之间换算关系:
当A/D量程为单极性时:
0～10V:
被测模拟电压值=转换数码(12位)×10/4095(V)
0～5V:
被测模拟电压值=转换数码(12位)×5/4095(V)
当A/D量程为双极性时:
±5V:
被测模拟电压值=转换数码(12位)×10/4095/5(V)
±10V:
被测模拟电压值=转换数码(12位)×20/4095/10(V)
这种A/D模板，其被测模拟电压的极性和量程可以根据实际需要，通过板上的跳线进行选择。对于本设计微机控制低压电动机群自起动柜来说，所用的电压变送器输入信号为AC0～300V，所对应的输出信号为DC0～5V；电流变送器输入信号为AC0～10A，所对应的输出为DC0～5V，所以A/D模板的跳线，应选择单极性输入，量程为0～5V。
表1
输出码与输入电压的关系
Tab.1
The correlation between output code and input voltage
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单极 输出码
输入电压 |
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双极性 输出
输出
输入电压 偏移码
补码 |
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0V 000H
5V 800H
10V FFFH
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－5V
000H 800H
－2.5V
400H C00H
0V 800H 000H
＋2.5V
C00H 200H
＋5V
FFFH 7FFH |
3.2 A/D转换模板主要技术指标：
分辨率：二进制12位
通道数：单端16路
输出码制：二进制原码
被测电压范围：DC0～5V
转换误差：≤0.2%
输入阻抗：≥1MΩ
本设计选用了研华公司生产的16路光隔A/D卡，PCL-816，该设备满足了以上的要求。
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电动机状态信号的检测
电动机的启、停运行状态，实质上是一个开关状态信号。它的检测，可采用两种方法。
4.1四线法检测
此种方法是利用电机交流接触器上的辅助常开接点ZC2，ZC2的一端直接与DC5V相连，另端接工业控制计算机IPC的开关量输入模板，当电机运行时，交流接触器线圈得电，其常开接点ZC2闭合，工业控制计算机IPC的开关量输入模板上的相应端口就能接收到DC5V信号；反之当电机停运时，交流接触器线圈失电，其常开接点ZC2跳开，就收不到该信号，电动机运行状态信号的检测方法（一）见图2所示。
这种方法原理上比较简单，容易接受。缺点是为了检测运行状态，对每台被控电机都需要单独铺设1条2芯电缆，加上控制信号电缆，每台被控电机共需要铺设2条4芯电缆，连线繁琐。更严重的是DC5V信号在几十米的多芯电缆上传送，容易受到变电所交变电磁场的交链干扰，干扰信号的幅度有时甚至能淹没有效的状态信号，造成检测失误，降低了系统检测的准确性，容易给人造成错觉。因此在实际接线中，本论文设计不采用此方案。
图3
电动机运行状态信号的检测方法（二）
Fig.3
Measuring methods of motor operation status signal (two)
当电动机D在停运状态时，常开接点ZC1跳开。这时与ZC1相连的A、B点有AC220V的电压差；当电机D投入运行时，ZC1闭合自锁，A、B两点的电压差为0。将A、B点的电压差送入电压比较器，当A、B电压差≥AC160V时，电压比较器输出DC5V,否则输出0V。IPC的电机状态检测接口依据电压比较器的输出来判断电机状态。
这种方法与前一种方法相比，由于电压比较器的门阈电压高达AC160V，基本上可滤除因电磁交链引起的干扰，准确判别电机状态。另外由于比较电压直接取自控制电缆，可省去状态检测电缆，从而将每台电机的连接电缆由2条减少到1条，不仅简化了连线，同时还节省了投资，提高了系统检测的准确性，因此本文采用的是第二种检测方法。
工业控制计算机IPC中装有ISA总线的开关量检测模板。该模板采用光电隔离技术，可实现48路电压型开关量信号的并行输入，输入采用共地方式，不需要外接电源，各路开关量互相独立，从而有效地避免了外部环境对IPC的干扰和损坏。模板的工作电源为DC5V，功耗≤300mA，直接取自总线，不需要外接。工作模式为CPU扫描输入，单路响应时间＜10μs，单路输入电流≤5mA。
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结论
以工业控制计算机为核心的电动机群自起动柜，其信号测控部件的设计及对电动机信号状态检测方法的改进，对其安全、稳定、可靠运行，并且产生出应有的经济效益，有其重要的意义。
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